基于Matlab 對(duì)采煤機(jī)截割滾筒仿真優(yōu)化及效果研究

楊豐駿

（煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司， 山西 太原 030001）

0 引言

截割滾筒作為采煤機(jī)重要部件，其綜合性能將會(huì)直接影響到采煤機(jī)的生產(chǎn)能力、生產(chǎn)能耗等諸多性能指標(biāo)，所以為能夠有效提高采煤機(jī)的綜合生產(chǎn)效率，保障采煤機(jī)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，應(yīng)對(duì)采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行合理優(yōu)化完善。據(jù)此，將采用Matlab 軟件對(duì)采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行仿真優(yōu)化，進(jìn)而獲取針對(duì)性優(yōu)化方案，旨在為后續(xù)采煤機(jī)截割滾筒綜合性能改善提供支持。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

優(yōu)化設(shè)計(jì)是指根據(jù)設(shè)計(jì)者的實(shí)際設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于最優(yōu)化理論獲取最優(yōu)解的過程，即根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)合理提出多種設(shè)計(jì)方案，并從中選擇出綜合水平最優(yōu)方案的過程。通常情況下，優(yōu)化設(shè)計(jì)一般分為三個(gè)步驟：第一，根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)構(gòu)建設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)，此過程中所涉及的設(shè)計(jì)目標(biāo)包括機(jī)械功能、機(jī)械強(qiáng)度等；第二，限制設(shè)計(jì)中的約束條件，即設(shè)計(jì)中機(jī)械的形態(tài)、尺寸等條件約束；第三，獲取設(shè)計(jì)最優(yōu)解，即在可以滿足機(jī)械設(shè)備性能以及其他方面目標(biāo)及約束要求的情況下，選擇出一種經(jīng)濟(jì)性、使用壽命等方面性價(jià)比最高的一種設(shè)計(jì)方案。現(xiàn)階段，優(yōu)化設(shè)計(jì)常用方式為計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化，可通過計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全面檢測(cè)分析，快速獲取優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果[1-2]。

2 采煤機(jī)截割滾筒仿真模型構(gòu)建

首先，通過UG 軟件對(duì)采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行三維幾何模型構(gòu)建，此過程中分別對(duì)滾筒及截齒進(jìn)行分別構(gòu)建，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行截割滾筒裝配組合，構(gòu)成截割滾筒組合模型。其次，將裝配完成的三維幾何模型導(dǎo)入到ANSYS 軟件中，并在軟件中生成截割滾筒實(shí)體模型和煤壁模型，其中煤壁模型無需通過UG 軟件構(gòu)建，可在ANSYS 軟件中直接生成。最后，需要根據(jù)滾筒特征合理選用材料、單元類型[3]。其中材料選用RIGID 剛體材料，此種材料的密度、彈性模量、泊松比以及硬度（HRC）分別為7 800 kg/m3、4.6×1011Pa、0.3、80～90。單元類型則選用solid168 單元。基于以上參數(shù)進(jìn)行網(wǎng)格單元?jiǎng)澐旨皡?shù)設(shè)置后，最終獲取到滾筒截割煤壁有限元模型如圖1 所示。

圖1 滾筒截割煤壁有限元模型

3 基于Matlab 的采煤機(jī)截割滾筒仿真分析

通過ANSYS 軟件對(duì)采煤機(jī)截割煤壁過程進(jìn)行仿真模擬，進(jìn)而獲取到采煤機(jī)截割滾筒各截齒的受力特征值。為增強(qiáng)各截齒受力特征值分析效果，會(huì)將仿真模擬數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Matlab 軟件中，進(jìn)而通過Matlab 軟件來獲取各截齒受力平均值，具體結(jié)果如圖2 所示。

圖2 截齒受力平均值

由圖2 可知，在所有采煤機(jī)截割滾筒截齒中，27 號(hào)截齒的受力平均值最大，24 號(hào)截齒的受力平均值最小，受力最大值和受力最小值之間存在較大差異。說明采煤機(jī)截割滾筒各截齒之間的受力狀態(tài)較不均勻，各截齒受力波動(dòng)較大，極易導(dǎo)致在煤壁截割過程中產(chǎn)生受力較大截齒加速磨損甚至折斷等情況[4]。此外，受力波動(dòng)大也會(huì)導(dǎo)致采煤機(jī)滾筒在截割煤壁過程中出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，應(yīng)力在傳遞到采煤機(jī)上后會(huì)導(dǎo)致采煤機(jī)結(jié)構(gòu)整體使用壽命受到嚴(yán)重影響，所以必須要對(duì)采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)。

如圖3 所示，采煤機(jī)截割滾筒截割煤壁時(shí)X 方向上和Y 方向上所受到的外力最大值分別為6286.5N、3007.8 N；如圖4 所示，煤機(jī)截割滾筒截割煤壁時(shí)Z方向上和合力方面所受到的外力最大值分別為4038.2 N、6 330.1 N。由此可見，在采煤機(jī)截割滾筒截割煤壁過程中，不同方向上所承受的應(yīng)力值也不盡相同，其中X 方向上所承受的應(yīng)力值最大，Y 方向所承受的應(yīng)力值較小。此種情況會(huì)導(dǎo)致滾筒在截割煤壁時(shí)出現(xiàn)極為距離的波動(dòng)載荷，為滾筒帶來劇烈沖擊，嚴(yán)重影響滾筒的綜合截割性能和使用壽命，不利于保障采煤機(jī)的使用壽命和工作效率[5]。

圖3 采煤機(jī)截割滾筒截割煤壁時(shí)X、Y 方向上受到的外力

圖4 采煤機(jī)截割滾筒截割煤壁時(shí)Z 方向上受到的外力及合外力

4 采煤機(jī)截割滾筒優(yōu)化效果分析及工程應(yīng)用

4.1 采煤機(jī)截割滾筒優(yōu)化及效果分析

為提高采煤機(jī)截割滾筒優(yōu)化設(shè)計(jì)效果，研究中會(huì)采用Matlab 軟件的優(yōu)化工具箱構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而獲取到采煤機(jī)截割滾筒的優(yōu)化參數(shù)，具體參數(shù)包括平均截線距、螺旋升角、平均截距三種，分別從26.6 mm優(yōu)化到30 mm，19°優(yōu)化到19.8°，237 mm 優(yōu)化到249 mm。為能夠進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性，研究中會(huì)對(duì)優(yōu)化后方案所對(duì)應(yīng)的采煤機(jī)截割滾筒截齒受力平均值進(jìn)行仿真分析，并將分析結(jié)果與優(yōu)化前結(jié)果進(jìn)行匹配對(duì)比，具體對(duì)比結(jié)果如圖5 所示。

圖5 采煤機(jī)截割滾筒優(yōu)化前后受力平均值對(duì)比

如圖5 所示，相對(duì)于優(yōu)化前的截割滾筒各截齒受力情況來看，優(yōu)化后截割滾筒各截齒受力狀態(tài)得到明顯改善，說明采煤機(jī)截割滾筒各截齒受力性能得到持續(xù)改善。

此外，研究中還會(huì)采用LS-Prepost 軟件獲取采煤機(jī)滾筒截割煤壁過程中所產(chǎn)生的三向力和合外力情況。根據(jù)分析結(jié)果可知，截割滾筒在X 方向上的牽引阻力均值從優(yōu)化前的291.04 N 下降到260.61 N，實(shí)際波動(dòng)系數(shù)從優(yōu)化前的1.84 下降至1.68，實(shí)際降低幅度為8.70%；截割滾筒在Y 方向上的牽引阻力均值從優(yōu)化前的282.89 N 上升至291.61 N，實(shí)際波動(dòng)系數(shù)從優(yōu)化前的1.31 下降至1.17，實(shí)際降低幅度為10.68%；截割滾筒在Z 方向上的牽引阻力均值從優(yōu)化前的9.33 N 增長(zhǎng)到16.21 N，雖然在Z 方向上的牽引阻力均值得到大幅度增長(zhǎng)，但考慮到Z 方向上的實(shí)際牽引阻力均值相對(duì)較小，所以對(duì)滾筒正常運(yùn)行不會(huì)造成過多影響。同時(shí)，實(shí)際波動(dòng)系數(shù)從優(yōu)化前的35.25 下降至26.93，實(shí)際降低幅度為23.60%；截割滾筒所承受的合力均值從優(yōu)化前的622.35 N 上升至571.78 N，實(shí)際下降幅度為11.79%。總體來說，相對(duì)于優(yōu)化前來說，優(yōu)化后的采煤機(jī)截割滾筒受力情況更為科學(xué)合理，并且載荷波動(dòng)問題也得到了一定治理，更有利于保障滾筒的使用壽命和工作性能。

4.2 優(yōu)化方案工程應(yīng)用

通過仿真分析雖然初步驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性，但為能夠進(jìn)一步保障應(yīng)用成效，實(shí)際研究中還會(huì)開展工程應(yīng)用分析。具體分析過程中會(huì)根據(jù)優(yōu)化方案制作出采煤機(jī)截割滾筒實(shí)物，并將其應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)實(shí)際，以煤礦生產(chǎn)中復(fù)雜的工作環(huán)境來驗(yàn)證優(yōu)化方案的有效性。通過工程應(yīng)用分析情況來看，優(yōu)化后的方案應(yīng)用成效與仿真分析應(yīng)用成效基本保持一致，其一方面說明仿真分析驗(yàn)證的有效性，另一方面也一定程度上驗(yàn)證本文所提出優(yōu)化方案的科學(xué)合理性。總體來說，相較于現(xiàn)有采煤機(jī)截割滾筒來說，本文所提出的采煤機(jī)截割滾筒優(yōu)化方案更具實(shí)用性，所以值得在后續(xù)采煤機(jī)截割滾筒優(yōu)化中進(jìn)行參考應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文將ANSYS 有限元分析法與Matlab 優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合，并通過融合后的方法對(duì)采煤機(jī)截割滾筒進(jìn)行仿真優(yōu)化，提出一種采煤機(jī)截割滾筒優(yōu)化方案，進(jìn)而通過仿真分析和工程應(yīng)用分析兩種分析方式驗(yàn)證此游玩方案的有效性。總體來說，相對(duì)于現(xiàn)有采煤機(jī)截割滾筒來說，優(yōu)化后的采煤機(jī)截割滾筒可有效保障受力性能以及滾筒載荷波動(dòng)情況，避免截割滾筒在應(yīng)用中出現(xiàn)因截齒受力不均而導(dǎo)致的截齒磨損速度過快、截齒斷裂、滾筒劇烈振動(dòng)、采煤機(jī)使用壽命縮短等問題，進(jìn)而綜合提高采煤機(jī)綜合性能，保障煤礦開采綜合效率。因此值得在后續(xù)采煤機(jī)截割滾筒結(jié)構(gòu)優(yōu)化中進(jìn)行參考應(yīng)用。